열에너지의 모든것! 전도, 대류, 복사

우리는 뜨거운 것과 차가운 것을 구분짓는다. 바캉스를 가야하는 여름은 덥고 크리스마스가 있는 겨울은 춥다. 휴가를 못간 나는 집에서 시원한 에어콘 바람을 쐬고 추운 겨울에는 온풍기를 틀고 집에서 나가지 않는다.  이렇듯 따듯함과 차가움, 덥고 추운 것을 느끼는 것은 바로 "열" 때문이다. 우리 인체는 평균 36.5℃를 유지한다. 감기나 독감에 걸리면 체온의 온도가 39℃ 정도 올라가는데 우리는 추위를 느끼게 된다. 이럴때 가까운 병원에 빨리 가는 것을 추천한다. 몸의 온도는 올라가는데 왜 추위를 느낄까? 이는 주변에 온도를 쉽게 뺏기기 때문이다. 이번 포스팅에서는 열에 대한 모든 것에 대해 알아보도록 하겠다. 

열이란 무엇인가?

열도 전기나 빛처럼 에너지의 일종이다. 열에너지라고 부른다.

열에너지의 상대적인 양을 온도로 나타내는데 물체의 열에너지가 많으면  온도가 높고, 온도가 낮은 물체는 열에너지가 적다고 표현한다.

 열의 이동과 열평형상태란 무엇인가?

열은 양이 많은 곳에서 적은 곳으로 이동한다. 모든 물체는 에너지가 낮을 때 안정 상태가 된다. 목욕탕에 큰 욕조를 생각해 보자. 뜨거운물이 나오면 차가운 물과 서로 섞이게 된다. 이 때 섞이는 과정은 뜨거운 물이 차가운 물쪽으로 이동하면서 온도가 같아 지는 것이다.

온도가 서로 다른 막대가 있다고 하면 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 열이 이동한다.  때, 열이 빠져나간 쪽은 온도가 낮아지고 열을 받아 들인쪽은 온도가 높아진다. 이렇게 해서 양 끝의 온도가 같아지면  열은 더 이상 이동하지 않는 '열평형 상태'가 된다.

열의 이동방법은 몇가지가 있을까?

열이 이동하는 방법으로는 전도, 대류, 복사 3가지가 있다.

 전도란?

전도는 고체상태의 물질사이에서 일어난다.  서로다른 온도의 쇠막대를 서로 가져다 대면 뜨거운쪽 에서 차가운쪽으로 열을 이동 시키는데 이러한 현상을 전도라고 부른다. 물체를 이루고 있는 원자나 분자들의 진동에 의해 열에너지가 이동한다는 뜻이다.  금속의 경우에는 자유전자들이 자신의 운동 에너지를 전달하는 과정을 통해서 전달된다.

 즉, 열에너지를 받은 물질 속의 분자, 원자, 자유 전자 등이 운동을 활발하게 하고,  주변의 원자나 분자들에 자신의 에너지를 전달해 줌으로써 열이 전달된다. 어려운 말이지만 뜨거운 쪽에서 차가운쪽으로 이동한다는 것만 기억하자.

 

대류란?

액체나 기체 따위가  열 때문에 위아래로 뒤바뀌며 움직이면서 열을 전달하는 현상을 대류라고 한다. 열의 대류란 입자가 이동하여 열에너지를 전달하는 현상이다. 대류는 밀도차에 의해서 생긴다. 전도보다  대류에서의 열의 이동속도가 훨씬 빠르다.

 유체를 부분적으로 가열하면 가열된 부분의 온도가 올라가서 유체의  부피가 증가하고, 밀도가 작아진다. 밀도가 작아진 부분은 상대적으로 밀도가 큰 부분의 위쪽으로 이동하고, 위에서 다시 식어서 밀도가 커지면 아래로 이동한다. 유체가 이러한 움직임을 계속하면 유체 전체는 결국 비슷한 온도를 가지게 된다. 열의 평형을 이룬다고 한다.

 액체나 기체 모두 따뜻해진 것은 위로 올라가고, 차가워진 것은 아래로 내려온다.  보리차를 끓일 때 보리들이 떠다니는 현상으로 대류를 관찰할 수 있다. 

 냉장고 안에는 냉동실이 위쪽에 있고 냉장실이 아래쪽에 있다. 이는 대류 현상에 의해 열이 쉽게 전달될 수 있도록 하기 위한 과학적 원리이다.  냉동실이 위에 있으면 차가운 공기가 아래로 흘러가기 쉬우므로 냉장실을 차갑게 유지하는 데 도움이 되고, 난방 기구가 아래에 있으면 따뜻한 공기가 위로 올라가서 난방하려고 하는 곳 전체를 따뜻하게 하는 데 유리하다. 즉, 냉동실은 위쪽에 난방은 아래쪽에 위치해야 유리하다. 

또한  지구 대기권에서는 수증기를 포함한 공기의 대류로 인하여 바람이 발생하고 비가 내리는 강수현상이 생긴다.  앞서 살펴본 태풍이 발생하는 원인이 되기도 한다. 

복사란?

 열의 복사란 태양빛처럼 에너지가 전자기파의 형태로 이동하는 현상이다. 열이 복사에  의해 이동할 때에는 열을 전달하는 매질의 도움 없이 직접 이동한다. 이것은 열에너지에 의해 물질 내부의 원자들이 진동해서 전자기파를 내는 현상이다.

열의 복사에 의하여 우주 공간에서도 빛과 같은 속도로 열을 직접 전달할 수 있다. 태양의  열이 지구로 전달되는 과정이나 뜨거운 난로 앞에 서 있을 때 주위의 공기가 차가워도  난로 쪽의 몸이 따뜻해지는 현상 등이 복사에 의한 열의 전달에 따른 현상들이다.

우리는 흔히 어떠한 일에 대해 화가 날때 "아~ 열받네~"라고 표현한다. 이럴 때 받는 열은 전도일까? 대류일까? 복사일까?